技术 | 国际钎焊技术最新进展

摘要

总结了最近3年来的4次国际焊接会议有关钎焊技术的最新进展。本文主要介绍了轻合金(包括铝合金、钛合金、镁合金)用新型钎料(或钎剂)，锡基、Au-Ge等低温钎料，以及陶瓷钎焊用高温钎料的最新研究成果；然后介绍新颖的纳米复合钎料和纳米叠层箔带中间层扩散焊技术的最新研究；最后详细介绍特殊的钎焊新工艺，包括超声波辅助钎焊、气体保护电弧钎焊、等离子钎焊等的研究都取得一系列新的结果及应用。

钎焊技术是采用（或过程中自动生成）比母材熔化温度低的钎料，采取低于母材固相线而高于钎料液相线的操作温度， 通过熔化的钎料将母材连接在一起的一种焊接技术。 钎焊时，钎料熔化为液态而母材保持为固态， 液态钎料在母材的间隙中或表面上润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用（溶解、扩散或产生金属金属间化合物），冷却凝固形成牢固的接头，从而将母材连接在一起 。 近年来，随着钎焊应用领域不断扩大及相关研究技术、装备的进步，钎焊逐渐成为国内外研究的热点。

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特殊钎焊材料

 1-1 轻合金用特殊钎焊材料

美国研究者针对当前钛合金钎焊中采用纯铝或标准的AWSBAlSi-4(Al-12Si)钎料对应的接头强度低，以及Al-Cu-Si或Al-Ag-Cu系脆性钎料难制成箔带或丝的问题，提出了Al-Mg和Al-Ag二元钎料，以及用Ni，Sn和Mg元素合金化的Al-Cu-Si和Al-Ag-Cu三元钎料。测试了其在600～710℃对钛合金的润湿性及钎焊接头强度，其中Al-2。5Mg-0。3Cr，Al-21。5Ni-9Cu-9。6Si以及Al-4。2Cu-1。5Mg-0。5Si钎料对应接头强度明显高于Al-12Si钎料，并且前两种钎料可以制成箔带使用。如图1所示，采用Al-Cu-Si箔带钎料，钎焊接头组织致密，钎缝成形良好，且其界面连续的金属间化合物厚度明显小于采用铝或Al-Si钎料时的接头。

              图1 新研制的钎料对应的钛合金接头组织对比

  1-2 陶瓷用新钎料及钎焊新工艺

法国研究者通过在真空或中性气氛下成功钎焊了世界上最大的以SiC陶瓷为基的望远镜的赫歇尔反射镜面，并研发了一种在1300～1600℃大气条件下用硅酸钙玻璃做钎料对SiC进行钎焊修复的方法。因为无需使用保护气体，这项技术成本很低。研究表明，温度超过1300℃时，含23CaO-15Al2O3-62SiO2(质量分数，%)的玻璃润湿性和填缝性很好；在1400～1500℃，保温时间超过3min时玻璃在SiC基板上的接触角接近20°。室温下SiC钎焊接头的平均抗剪强度为42MPa。图2为钎焊的三明治结构的样品。

图2 钎焊的三明治结构 SiC/玻璃 /SiC样品

北京航空材料研究院报道了用于Si3N4陶瓷连接的高温新钎料研究进展。使用研制的PdCo(NiSiB)-V急冷态钎料箔带，在1180℃/10min获得的Si3N4/Si3N4接头室温3点弯曲强度高于200MPa。钎料中的元素V起到了活化作用，引发与Si3N4陶瓷的界面反应，因而促进了连接。相对于传统的AgCu-Ti钎料以及专门针对Si3N4陶瓷的金基钎料，接头的耐高温性能得到明显提高。大气活性钎焊(RAB)是一种在空气中使用含铜氧化物的改性银基钎料连接金属和陶瓷的很有前景的方法。

德国亚琛大学研究了大量氧化物改性钎料的性能。发现钎焊接头的抗拉强度与钎料成分和钎焊温度有关。Ag8Cu钎料1050℃钎焊的接头强度大于100MPa，而1150℃和970℃分别只有大约60MPa和40MPa；Ag8Cu0。5Ti钎料1150℃钎焊的接头抗拉强度为83MPa；Ag4Cu4Ni钎料1350℃钎焊接头最大强度大约62MPa。其它钎料钎焊氧化铝的接头强度还要低一些。热分析结果证实钎焊时发生了金属———氧化反应，形成了CuO和NiO，并与氧化铝相互作用。

德国德累斯顿FraunhoferfuerKeramische研究所为适应固态氧化物燃料电池(SOFC)的连接技术需求，开展了大气活性钎焊工艺研究，使用Ag-CuO体系钎料，研究了CuO含量对钎料在大气环境中1000℃高温下在YSZ陶瓷和Fe-Cr基合金表面润湿性的影响，以及对陶瓷/金属连接界面的长时间稳定性的影响。

与上述研究类似，乌克兰于2009年报道了采用“金属-氧”技术并使用Ag-Cu-O体系钎料对铁电陶瓷BaTiO3钎焊。研究发现Ag-Cu合金在空气环境或纯氧气环境的高温条件下对BaTiO3的润湿性相对于真空环境下得到明显改善。之后他们先在陶瓷表面使用CuO粉末在空气条件下加热实现表面金属化，再使用Ag+Pt混合粉加热实现了BaTiO3与银丝、铂丝的连接。

  1-3  低温钎料及低温钎焊工艺

俄罗斯研究了锡基钎料的微合金化，采用一种微合金化钎料ПОС61和一种无铅Sn-Ag-Cu系钎料进行了试验[10]。对下列钎料进行了力学性能试验。ПОС61，ПОС61+0。15Ge，Sn-2。5Ag-0。7Cu，Sn-2。5Ag-0。7Cu-0。15。结果表明，加入微量合金化元素Ge后的钎料强度明显提高，其中ПОС61钎料室温强度提高29%，120℃强度提高47%，而Sn-2。5Ag-0。7Cu钎料强度提高42%，同时钎料塑性保持同样的水平。钎料中可见均匀分布的细小弥散的富锗相，在富银相附近聚集一些富锗粒子。北京航空航天大学采用Sn-4Ag-2Ti-0。5Y无铅钎料进行了Al2O3，ZrO2，AlN陶瓷与铜的超声波钎焊研究[11]。结果表明，所有的断裂都发生在陶瓷和金属的结合界面区，其中，Al2O3-Al2O3钎焊接头抗剪强度为38MPa，而ZrO2-Cu钎焊接头的抗剪强度为40MPa，Al2O3-Cu，ZrO2-ZrO2，AlN-AlN，AlN-Cu钎焊接头的抗剪强度介于31～35MPa之间。除锡基低温钎料的研究外，德国有研究人员使用Au-12Ge钎料进行了Al2O3陶瓷与钛合金的钎焊研究，其中Al2O3表面依次进行了金属化处理CrNi/Ti(50～60nm)/Au(2μm)，而钛合金表面依次为Ni(4μm)/Au(2μm)，使用25μm厚度的Au-12Ge钎料。在低于400℃的钎焊温度下实现了对Al2O3/钛合金的连接，接头强度达到108MPa±15MPa。日本东京ToKai大学报道了对装饰用金刚石和金属抛光卡具的低温钎焊工艺。采用Ag-Cu共晶粉和钒氢化物粉末对金刚石表面进行真空金属化，在温度为1080K保温240s，形成V4C3化合物后，Ag-Cu共晶熔化，银粉沉积在金刚石表面。再用Zn-5Al钎料在大气中超声波钎焊金刚石。在金刚石表面形成钒碳化物时产生连续的放热反应，形成的碳化物包括V4C2。67，V4C3，和V8C7等。台湾高雄金属研究发展中心报道了一种SUS316L不锈钢/A1050铝合金双金属板轧制复合-低温钎焊技术[14]。500℃时对双金属板进行退火热处理，保温60min。然后采用低温钎焊工艺，在大气环境、无钎剂条件下进行钎焊。钎焊温度为480℃，试件具有良好的结合强度，约为209～293kg/cm2。研究认为采用轧制复合-低温钎焊技术制造的其它双金属复合板，如Al/Ti，Al/Cu，Al/Nb等，将在换热器、能源和轻结构等工业领域具有良好的应用前景。

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  纳米复合钎料及特殊的钎焊新工艺

美国肯塔基州大学针对钼合金和Mo-47。7Re合金开展了纳米复合钎料的研究，钎料是加入钼或钼纳米颗粒的Mo-53。5Ni(质量分数，%)，并与不添加纳米颗粒的Mo-Ni钎料进行了对比[15]。在1350℃温度下炉中钎焊，接头成形情况相似，但是两者的铺展特征不同，纳米复合钎料的熔点相对较低，更容易铺展。纳米粒子相对于传统的合金粉末或块体材料具有低熔点、高活性等特性，利用这些特性，适应于一些特殊场合的应用需求，开展低熔点钎料的研究将具有新颖性，而特殊纳米复合钎料的研究与应用将显示出低温焊接和特殊性能等一系列优势。

葡萄牙Minho大学分别采用钛箔、Ti/Ni/Ti箔、Ni/Al纳米叠层材料进行TiAl/TiAl的扩散焊研究(图3)。通过工艺优化和接头强度试验，在800℃/10MPa/60min条件下接头抗剪强度为226MPa，而在900℃/5MPa/60min条件下可获得最高抗剪强度314MPa。连接过程中，多层膜将转变成具有金属间化合物相的纳米结构中间层。多层膜的周期厚度影响接头的质量和接头强度，适宜的薄层可以使异种材料接头的残余应力降至最低。

图3 使用 Ni/Al纳米叠层箔材作中间层的 TiAl/Ti Al扩散焊接头的组织形貌

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特殊的钎焊新工艺研究

特殊的钎焊新工艺研究最近也取得一系列新的进展，甚至获得了新的应用。这些钎焊新工艺包括超声波辅助钎焊、气体保护电弧钎焊、等离子钎焊、激光钎焊等。德国开姆尼斯工业大学、汉诺威大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、北京航空航天大学等都对超声振动辅助钎焊技术进行了研究。钎焊加热方式可以是感应、火焰或电阻加热，由于施加了超声波振动，整个钎焊过程无需钎剂，可以在大气下对多种母材或异种材料进行钎焊，包括铝基复合材料、铝合金、镁合金、Ti-Al金属间化合物、Ti/Al、玻璃-金属、陶瓷-金属等。例如德国采用锡基复合钎料来钎焊铝基复合材料，接头强度分别为14MPa和12MPa；而采用Zn-5Al钎料，在440℃、超声振动110s的条件下进行钎焊，接头的抗拉强度可达50～70MPa。

哈工大使用Zn-Al及Zn-Al-Si钎料对Ti/Al进行了超声波感应钎焊连接，在前者接头的界面上形成了TiAl3脆性相，而后者形成了Ti7Al5Si12相。分析认为使用不同的钎料会引起接头界面物相的转变，超声波的作用以及钎料中添加硅是决定因素。德国亚琛大学认为，气体保护熔化钎焊是第三个千年的关键焊接技术之一。所用设备与气体保护熔化焊一样，但需要用低熔点(900～1100℃)的青铜焊丝(直径为1mm)，焊接过程采用短弧或脉冲电弧，保护气体采用Ar+0.5%O2，热输入控制到很小，母材不熔化。钎焊接头强度与熔化焊相当，钎缝的后续抛光工艺很容易实现。气体保护钎焊不仅在汽车行业的应用变得越来越普遍，而且在其它需要发挥低热输入、小变形和对镀锌层很小的损害以及高钎焊速度等优势的场合都是适用的。乌克兰巴顿电焊研究所研究了低碳钢薄板的非熔化极电弧钎焊和等离子钎焊。采用专用氩弧焊设备，能进给直径为0.8～1。6mm的线材，送丝速度平稳调节范围为0～600cm/min，可以从0～37。8cm/min速度移动焊槍。采用1mm厚的0.8КП钢作为基体，采用铜基钎料，对接接头间隙为0，0.3，0.5mm，焊槍端头到基体距离为2mm。在所有工艺下，钎料都能很好地润湿钢板而且背面钎缝成形良好，其中ПМ—72焊料得到最好的结果。此外，采用等离子体加热和脉冲钎焊可以进一步降低钎焊接头区的热输入。工艺能保证钎焊接头与基体等强，可用于镀锌钢板的连接。

结束语

概述了最近3年来的4次国际焊接会议有关钎焊技术的最新进展。相关新型钎焊材料研究动向，钎焊新工艺，以及钎焊数值模拟技术的研究思路与应用方向都非常值得关注。及时分析国际焊接技术研究进展，开展前沿跟踪性研究和再创新，是钎焊专业工作者面临的任务。随着国内外钎焊领域焊接技术研究的不断深入，将会出现新的研究成果，并将陆续推向应用。

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